Vili Salenius Sähkökoneiden vikaantumisen havainnointi Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK) Sähkötekniikan koulutusohjelma Insinöörityö 2.2.2012
Tiivistelmä Tekijä Otsikko Sivumäärä Aika Tutkinto Vili Salenius Sähkökoneiden vikaantumisen havainnointi 53 sivua 2.2.2012 Insinööri (AMK) Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Suuntautumisvaihtoehto Ohjaajat Sähkövoimatekniikan suuntautumisvaihtoehto Lehtori Jari Ijäs Luetettavuus Päällikkö Juha Sunio Tuotekehitysinsinööri Saku Aspelin Tässä insinöörityössä tutkittiin sähkömoottoreiden sekä sähkömoottoriohjauksien toimintaa. Näistä tärkeimpinä tutkimuskohteina olivat kolmivaiheinen oikosulkumoottori sekä sen moottoriohjaukset. Näiden lisäksi tutustuttiin myös sähkömoottorin historiaan. Työn varsinaisena pääkohteena tutkittiin oikosulkumoottoreiden vikamuotoja sekä niiden syitä ja seurauksia. Viat jakautuvat laakeri-, staattori- ja roottorivikoihin, joiden havaitsemiseksi kartoitettiin erilaisia mittausmenetelmiä. Työssä pyrittiin löytämään sellainen kenttäkäyttöön soveltuva mittausmenetelmä, jolla voitaisiin ennakoida jaksottaisessa käytössä olevien oikosulkumoottoreiden vikoja. Insinöörityön kokeellisessa osuudessa pyrittiin todistamaan teoriaosuudessa tutkittujen mittausmenetelmien toimivuutta staattorikäämityksen vaurioiden havaitsemisessa. Tämä toteutettiin mittaamalla neljää identtistä moottoria, joille tehtiin erilaisia staattorivaurioita (kierrosoikosulku, kierroslangan katkos, vyyhtioikosulku ja vaiheiden välinen oikosulku). Mittausmenetelminä käytettiin resistanssimittausta, eristysvastusmittausta sekä syöksyaaltotestausta. Näiden lisäksi suoritettiin tyhjäkäyntikoe, jossa moottoria tarkkailtiin aistinvaraisesti ja samanaikaisesti mitattiin tyhjäkäyntivirta. Kokeellisen osuuden tuloksena todettiin, että yksittäisillä mittausmenetelmillä ei havaita kaikkia staattorikäämityksen vaurioita. Kokeellisten mittausten tuloksena kuitenkin oli, että mittausmenetelmien (syöksyaaltotestaus ja resistanssimittaus) yhteiskäytöllä voidaan havaita staattorikäämityksen vauriot. Avainsanat Oikosulkumoottori, jaksottainen käyttö, vikaantuminen, havainnointi, laakeri, staattori, roottori
Abstract Author Title Number of Pages Date Degree Vili Salenius Electrical machinery failure detection 53 pages 2 February 2012 Bachelor of Engineering Degree Programme Degree Programme in Electrical Engineering Specialisation option Instructors Electrical Power Engineering Jari Ijäs, Senior Lecture Juha Sunio, Reliability Manager Saku Aspelin, Development Engineer The operations of electric motors and electric motor controllers were investigated in this thesis. Main research targets were the three-phase squirrel cage motor and motor controls. In addition, the history of electrical motors was reviewed. As the actual objective of this thesis, squirrel cage motor fault modes, their causes and consequences were investigated. Faults were divided into bearing, stator and rotor faults. A variety of methods to detect these faults were surveyed. The work aimed at finding a method of measurement, which could anticipate the faults of a squirrel cage motor in intermittent use. A variety of measurement methods to detect squirrel cage motor faults were investigated in the theoretical part of this thesis. The experimental part of this thesis was aimed to prove the feasibility of these measurement methods in detecting stator coil faults. This was done by measuring four identical motors, which had different stator faults (open coil connection, turn to turn, coil to coil and phase to phase short-circuit faults). Used methods of measuring were resistance measurement, insulation resistance measurement and surge tests. In addition to these a no-load test was carried out, in which the engine was under sensory monitoring, and the no-load current was measured simultaneously. The results showed that an individual measurement method will not detect all types of stator coil faults. Experimental measurements showed, that with the joint operation of measurement methods (surge test and the resistance measurement), all types of stator coil damage can be detected. Keywords Squirrel cage motor, intermittent use, failure, observation, bearing, stator, rotor
Sisällys Tiivistelmä Abstract Sisällys 1 Johdanto 1 2 Sähkömoottorit 2 2.1 Sähkömoottorin historia 2 2.2 Moottorityypit 3 2.2.1 Vaihtosähkömoottorit 3 2.2.2 Tasasähkömoottorit 11 2.3 Epätahtimoottoreiden ohjausmenetelmät 12 2.3.1 Suorakäyttö 13 2.3.2 Tyristorikäyttö 14 2.3.3 Taajuusmuuttajakäyttö 16 3 Sähkömoottoreiden vikaantuminen 19 3.1 Laakeriviat 19 3.2 Staattoriviat 20 3.3 Roottoriviat 21 3.4 Ohjausjärjestelmien viat 22 4 Vikojen havainnointimenetelmät 22 4.1 Aistinvarainen havainnointi 22 4.2 Resistanssimittaus 23 4.3 Eristysvastusmittaus 24 4.4 Polarisaatioindeksi 27 4.5 Syöksyaaltomittaus 29 4.6 Värähtelymittaukset 31 4.7 Virtaspektrianalyysi 35 4.8 Lämpötilamittaukset 37 4.9 Kaupalliset laitteet 39
5 Mittaukset 40 5.1 Mitattavat moottorit 40 5.2 Resistanssimittaus 41 5.3 Eristysvastusmittaus 43 5.4 Syöksyaaltotestaus 44 5.5 Tyhjäkäyntivirtamittaus 49 6 Yhteenveto 50 Lähteet 52
1 1 Johdanto Sähkömoottorit ovat hyvin tärkeitä teollisuudessa. Niitä löytyy miltei jokaisesta tuotantolaitoksesta ja tuotannon kannalta hyvinkin kriittisistä paikoista. Sähkömoottoreiden vikaantuminen on usein vaikeasti ennakoitavissa, ja viat tulevat ilmi vasta silloin, kun sähkömoottori pysähtyy. Tämä on tuotannon kannalta huono asia, koska pienetkin suunnittelemattomat tuotantokatkokset saattavat maksaa tuotannon yritykselle todella paljon. Joissakin tuotantoprosesseissa katkos saattaa pilata koko tuotantoerän kelvottomaksi. Tässä insinöörityössä tutkitaan mittausmenetelmiä, joilla voitaisiin ennakoida jaksottaisessa käytössä olevan kolmivaiheisen oikosulkumoottorin vikaantumista. Vikaantumisen ennakoinnin avulla pystyttäisiin ajoittamaan moottorin vaihto, korjaus tai huolto tuotannon kannalta sopivaan ajankohtaan. Haasteena on erityyppisten ja tehoisten sähkömoottoreiden määrä. Myös mittausten analysoinnin kannalta tarpeeksi pitkän näytteenottojakson saaminen jaksottaisessa käytössä olevista moottoreista on haasteellista. Tavoitteena on myös todistaa mittausmenetelmien toimivuus käytännönmittauksilla. Työn alussa esitellään sähkömoottoreiden historiaa ja toimintaperiaatetta. Näiden lisäksi esitellään oikosulkumoottoreiden ohjausjärjestelmiä. Seuraavaksi keskitytään oikosulkumoottorin erilaisiin vikamuotoihin sekä niiden syihin ja seurauksiin. Sen jälkeen käydään läpi erilaisia olemassa olevia mittausmenetelmiä, joilla voidaan arvioida sähkömoottorin kuntoa. Lisäksi esitellään erilaisia kaupallisia mittalaitteita, joilla käsiteltäviä mittausmenetelmiä voidaan suorittaa. Työn lopussa keskitytään käytännön mittauksiin aiemmin esiteltävillä mittausmenetelmillä. Käytännön mittauksissa tutkitaan useaa identtistä kolmivaiheista oikosulkumoottoria, joihin tehdään erilaisia vikoja. Näiden keinotekoisesti vioitettujen moottoreiden avulla selvitetään mittausmenetelmien kelpoisuutta vikojen havaitsemiseksi.
2 2 Sähkömoottorit Perinteisesti, kun teollisuudessa on haluttu säädettäviä moottorikäyttöjä, vaihtoehtona on ollut liukurengas- tai tasasähkömoottori. Taajuusmuuttajien kehitys on mahdollistanut oikosulkumoottorin hyvän säädettävyyden, ja tästä johtuen taajuusmuuttajakäytöt ovat syrjäyttäneet liukurengas- ja tasasähkömoottorikäyttöjä. Oikosulkumoottorin etuna on pieni huollon tarve verrattuna liukurengas- ja tasasähkömoottoriin. Oikosulkumoottorin valmistuksen yksinkertaisuuden ansiosta se on myös huomattavasti halvempi valmistaa kuin liukurengas- tai tasasähkömoottori. Oikosulkumoottorin valintaa tukevat siis sen halvemmat hankinta- ja huoltokustannukset. Liukurengas- ja tasasähkömoottorin heikkous on liukurenkaat/kommutaattori ja hiilet, joilla muodostetaan sähköinen kontakti roottoriin. Liukurengas- ja tasasähkömoottori on lähetettävä ajoittain huoltoon puhdistettavaksi, koska hiilipöly kerääntyy staattoriin ja roottoriin. Suurina määrinä hiilipöly aiheuttaa käämityksessä läpilyöntiriskiä ja lämpöongelmia. 2.1 Sähkömoottorin historia Sähkömoottoreiden historia ulottuu vuoteen 1821, jolloin englantilainen fyysikko Michael Faraday (1791 1867) osoitti, että sähköenergia voidaan muuttaa liikeenergiaksi sähkömagnetismin avulla. Faraday teki kokeen, jossa elohopea-astian keskelle oli sijoitettu kestomagneetti ja johdin. Kun johtimeen kytkettiin sähkövirta, se pyöri magneetin ympärille. Faraday havainnollisti kokeellaan tanskalaisen fyysikon Hans Christian Ørtedin havaintoja sähkövirran synnyttämästä magneettikentästä johtimen ympärille. Faradayn kojetta pidetään ensimmäisenä alkeellisena sähkömoottorina. [1.] Vuonna 1823 unkarilainen Ányos Jedlik esitti ensimmäisen varsinaisen sähkömoottorin. Moottorin paikallaan pysyvät (staattori) ja liikkuvat osat (roottori) ovat sähkömagneettisia. Jedlikin moottori (kuva 1, ks. seur. s.) ja sen käyttöohjeet ovat Budapestissa käsityömuseossa. Moottori on täysin toimintakuntoinen vielä nykyäänkin. [2.]
3 Kuva 1. Jedlikin moottori vuodelta 1823 Englantilainen keksijä William Sturgeon teki ensimmäisen käyttökelpoisen tasavirralla toimivan moottorin vuonna 1832. Tuohon aikaan sähköä saatiin vain kemiallisista paristoista. Ne olivat hyvin kalliita ja monimutkaisia valmistaa sen aikaisilla menetelmillä. Tämän vuoksi sähkömoottorit eivät vielä yleistyneet. Vuonna 1873 belgialainen tiedemies Zénobe Gramme kehitti tehokkaan dynamon, jolloin tasavirtasähkömoottoreiden kaupalliset mahdollisuudet tajuttiin. Tämän tekniikan avulla voimalaitokset pystyivät tuottamaan sähköä, jolla taas pystyttiin pyörittämään tehtaiden koneita. [1; 3.] Moottorien kehitys jatkui 1880-luvulla, jolloin amerikanserbialainen keksijä Nikola Teslan tekemät kokeet mahdollistivat vaihtovirtatekniikan keksimisen. Venäläinen Mikhail Dolivo-Dobrovolsky kehitti kolmivaihegeneraattorin ja kolmivaihemoottorin vuonna 1888 sekä oikosulkumoottorin vuonna 1891. Teslaa ja Dolivo-Dobrovolskyä voidaan pitää suurimpina nykyisin hyödynnettävien pyörivien sähkökoneiden keksijöinä. [4.] 2.2 Moottorityypit 2.2.1 Vaihtosähkömoottorit Vaihtosähkömoottorit voidaan jakaa kahteen ryhmään: tahti- ja epätahtimoottoreihin. Nimensä mukaisesti tahtimoottorin akseli pyörii samassa tahdissa pyörivän magneettikentän kanssa, kun taas epätahtimoottorin akseli pyörii aina jättämän verran hitaammin, kuin pyörivä magneettikenttä. Tahtimoottorin ja epätahtimoottorin suurin rakenteellinen ero on roottorissa. Tahtimoottorin roottori synnyttää magneettikentän, joka seuraa tahdissa pyörivää magneettikenttää. Tahtimoottorin roottoriin synnytetään magneettikenttä joko kestomagneeteilla tai sähkömagneeteilla. Epätahtimoottorissa
4 tämänlaisia ominaisuuksia ei ole, jolloin roottoriin magnetointienergia on otettava staattorin pyörivästä magneettikentästä. Magnetointienergian saamiseksi pyörivästä magneettikentästä täytyy epätahtimoottorissa olla jättämää, jotta roottoriin indusoituisi roottorin magnetointienergia. Vaihtosähkömoottorin toiminta perustuu pyörivään magneettikenttään. Kolmivaiheisissa moottoreissa pyörivä magneettikenttä syntyy symmetrisessä kolmivaihekäämityksessä, siinä vaikuttavan symmetrisen kolmivaiheisen vaihtovirran avulla. Magneettikentän syntymistä voidaan tarkastella kuvan 2 yksinkertaistusta vaihtosähkömoottorista, jonka napapariluku p on 1. Kuva 2. Kolmivaiheinen käämitys Yksinkertaistetussa moottorissa jokaisen vaihekäämin muodostaa yksi vyyhti, joka muodostuu useasta johdinkierroksesta. Nämä vyyhdet muodostavat yhdessä kolmivaihekäämityksen. Käämit on kytketty tähteen yhdistämällä vaihekäämien loppupäät U, V ja W. Kun käämien alkupäät U, V ja W yhdistetään symmetriseen kolmivaiheverkkoon, alkaa komivaihekäämityksen läpi kulkea kolmivaihevirta (kuva 3). [5, s. 119 120.] Kuva 3. Symmetrisen kolmivaihejärjestelmän vaihevirrat
5 Seuraavassa kuvasarjassa (kuva 4) havainnollistetaan pyörivän magneettikentän syntymistä symmetrisessä kolmivaihekäämityksessä. Tämä syntyy siten, että kuvan 3 (ks. edell. s.) mukainen symmetrinen kolmivaiheinen virta syötetään kuvan 2 (ks. edell. s.) moottoriin. Kuvan 4 ajanhetket t t on valittu siten, että jokaisten ajanhetken kohdalle osuu vaiheen U (L1), V (L2), tai W (L3) virran huippuarvo. Kuva 4. Kolmivaihekäämityksen synnyttämä pyörivä magneettikenttä ajanhetkillä t 1 t 7 Magneettikentän pyörimisnopeus (tahtinopeus) on syötettävän taajuuden ja moottorin N- ja S-napojen muodostamien napaparien lukumäärän suhde (yhtälö 1): n =, jossa (1) r min n tahtinopeus [r min] f taajuus [Hz] p napapariluku Esim. n = r min = 3 000 r min
6 Epätahtimoottorissa roottori pyörii jättämän s verran hitaammin, kuin pyörivä magneettikenttä. Jättämä ilmoitetaan yleisesti suhteellisena jättämänä, joka esitetään yhtälössä 2: s = 100 % tai (2) s = 100 %, jossa s suhteellinen jättämä n pyörimisnopeus [r min] n = n n jättämä [r min] Esim. s = 100 % = 1,4 % Suhteellinen jättämä on tyypillisesti luokkaa 2 5 %, riippuen moottorin koosta [6]. Epätahtimoottorin pyörimisnopeus voidaan laskea yhtälön 1 (ks. edell. s.) ja jättämän avulla (yhtälö 2) muodostettavasta yhtälöstä. Näistä muodostetaan epätahtimoottorin pyörimisnopeuden yhtälö 3: n = (1 s) r min (3) Esim. n = (1 0,014) r min = 2 958 r min Oikosulkumoottori on teollisuuden yleisin moottorityyppi. Syynä sen yleisyyteen on sen vähäinen huollontarve ja korkea hyötysuhde. Se on myös edullinen sen yksinkertaisen rakenteen vuoksi. Oikosulkumoottorin tärkeimmät osat esitetään kuvassa 5 (ks. seur. s.).
7 Kuva 5. Oikosulkumoottorin rakenne Kuvassa 5 on esitetty oikosulkumoottorin rakenne. Rakenteen osat eritellään seuraavassa listassa: 1. staattori 2. roottori 3. laakerit 4. staattorin runko 5. roottorin akselille suoraan kiinnitetty tuuletin 6. liitinkotelo 7. staattorikäämitys 8. roottorikäämitys 9. akseli. Oikosulkumoottorin roottorin käämitys on niin sanottu häkkikäämitys (kuva 6, ks. seur. s.), joka koostuu roottorin uriin sijoitetuista roottorisauvoista. Nämä sauvat ovat oikosuljettu molemmista päistä oikosulkurenkailla. Roottorin runko on tehty akselin ympärille kasatuista eristetyistä teräslamellilevyistä.
8 Kuva 6. Häkkikäämitys Roottorin häkkikäämitys voidaan esimerkiksi tehdä joko kuparista, takomalla kuparitangot roottorin uriin tai työntämällä kuparitangot roottorin päästä roottorin uriin. Kuparitankojen molemmat päät oikosuljetaan toisiin kuparitankoihin. Tämä tehdään juottamalla kuparitankojen päät oikosulkurenkaisiin. Tehtäessä häkkikäämitys menetelmällä, jossa kuparitangot työnnetään roottorin uriin, kuparitangot liimataan epoksilla roottoriin sauvojen oikosulkemisen jälkeen. Epoksi tukkii myös kaikki roottorin kolot. Toisena vaihtoehtona on tehdä häkkikäämitys kaato- tai painevalamalla alumiini roottorin runkoon. Häkkikäämityksen valmistuksen jälkeen roottorin halkaisija sorvataan oikeaksi. Suurin osa pienten oikosulkumoottoreiden roottoreista tehdään alumiinista painevalamalla. Menetelmä on tuotantotehokas ja edullinen. Painevalulla saadaan myös tasainen valmistuslaatu. Suurempien moottoreiden roottorit valmistetaan yleensä kuparista. Staattori tehdään eristetyistä teräslamellilevyistä. Lamellilevyt niputetaan yhteen pakettiin. Staattori työnnetään lämmitettyyn staattorirunkoon. Staattorirungon jäähdyttyä se supistuu lämpötilan muutoksen vaikutuksesta, ja staattori kiinnittyy tiukasti staattorirunkoon. Staattorikäämitys voidaan tehdä esimerkiksi kuparilangasta. Tällöin Kuparilangasta tehdään vyyhdet, joihin tehdään useampia johdinkierroksia (kuva 7 vasemmalla). Vyyhdet asennetaan staattorin eristettyihin uriin (kuva 7 oikealla). Kuva 7. Vyyhtien valmistus ja asennus
9 Kun vyyhdet on asennettu, niiden päät kytketään vaihejohtimiin siten, että vyyhdet muodostavat symmetrisen kolmivaihekäämityksen. Tämän jälkeen vaihejohtimien päät viedään liitinkoteloon, ja vyyhtien päät sidotaan yhteen tiukaksi nipuksi (kuva 8). Kuva 8. Vyyhden päiden sidonta Tämän jälkeen staattorin ja kolmivaihekäämityksen paketti liimataan yhteen. Liimauksessa käytetään lakkoja tai nykyisin yleistymässä olevia epoksi-materiaaleja. Liimauksen tarkoituksena on pitää käämitys paikoillaan. Käämityksen paikallaan pysyminen on tärkeää, ettei siihen pääsisi syntymään mekaanisia muodonmuutoksia, jotka voivat vioittaa käämityksen eristeitä. Kun staattoriin kytketään jännite, staattorissa kolmivaihevirran synnyttämän pyörivän magneettivuon vuoviivat leikkaavat roottorisauvoja. Tällöin roottorisauvoihin indusoituu lähdejännite, joka synnyttää roottorivirran. Roottorivirta aiheuttaa ympärilleen oman magneettikentän, joka leikatessaan staattorin magneettikenttää synnyttää sähkömotorisen voiman ja roottori alkaa pyöriä. Koska energia syötetään roottoriin magneettikentän välityksellä ilman galvaanista yhteyttä, kutsutaan oikosulkumoottoria myös induktiomoottoriksi. Roottorin on pyörittävä epätahdissa tahtinopeuteen nähden, jotta staattorin vuoviivat leikkaisivat roottorisauvoja. Tästä syystä oikosulkumoottorissa on aina jättämää. Käynnissä olevaa moottoria kuormittaessa sen sähköistä momenttia vastustava mekaaninen momentti kasvaa. Tämä aiheuttaa moottorin pyörimisnopeuden pienenemisen. Tästä johtuen staattorikentän ja roottorisauvojen leikkausnopeus kasvaa, jolloin roottoriin indusoituva jännite ja virta kasvavat, jolloin moottorin sähköinen momentti kasvaa. Moottorin sähköinen momentti kasvaa, kunnes se tavoittaa kuormittavan momentin. Mikäli kuormittava momentti on pienempi kuin moottorin maksimimomentti,
10 roottori jää pyörimään uudella hitaammalla nopeudella. Roottorin pyörimisnopeus on siis riippuvainen moottorin kuormitusmomentista. Kuvassa 9 esitetään moottorin momenttikäyriä, jotka havainnollistavat momentin ja pyörimisnopeuden välistä suhdetta. [6, s. 60.] Kuva 9. Roottoriresistanssin vaikutus momenttiin Roottorin rakenne vaikuttaa roottorin resistanssiin. Roottorin resistanssi määrää jättämän, jolla maksimimomentti syntyy. Mitä suurempi on roottorin resistanssi, sitä pienemmällä pyörimisnopeudella moottorin maksimimomentti saavutetaan. Pienemmällä roottoriresistanssilla saadaan pienempi pyörimisnopeuden vaihtelu kuormituksen momentin vaihdellessa. [5, s. 156.] Liukurengasmoottori Liukurengasmoottori eroaa rakenteeltaan oikosulkumoottorista vain roottorin osalta. Siinä roottorikäämitys on eristetty kolmivaihekäämitys, jonka toiset päät on tuotu ulos moottorista liukurenkaiden ja harjojen välityksellä. Harjoihin liitetään vastuspaketit, joiden avulla roottoriresistanssia voidaan säätää. Tämä mahdollistaa huippumomentin siirron pienemmille kierrosalueille (kuva 9). Näin saadaan aikaan pienempi käynnistysvirta ja suurempi käynnistysmomentti. Liukurengasmoottorin pyörimisnopeutta voidaan säätää muuttamalla roottoriresistanssia. Moottorin pyörimisnopeus hakeutuu aina jatkuvuustilaan, jossa moottorin ja kuorman vääntömomentit ovat yhtä suuret. Lisäämällä roottorin resistanssia siirretään tätä
11 jatkuvuustilaa pienemmille pyörimisnopeuden arvoille. Mitä suurempi on roottorin resistanssi, sitä alhaisempi on pyörimisnopeus, jolla jatkuvuustila saavutetaan. Tällä tavoin roottorin resistanssia muuttamalla voidaan säätää moottorin pyörimisnopeutta. [5, s. 198.] 2.2.2 Tasasähkömoottorit Perinteisesti teollisuuden säädetyissä sähkömoottorikäytöissä ovat toimineet tasasähköeli DC-moottorit. Tähän on vahvasti vaikuttanut se, että tasasähkömoottorin ohjaukseen tarvittava tekniikka on yksinkertaista tehoelektroniikkaa. Esimerkiksi vaihtosähköverkkoon kytkettynä tasasähkömoottorin säädettävään ohjaukseen tarvitaan vain yksinkertainen säädettävä tasasuuntaussilta. Säädettävän tasasuuntaussillan avulla pystytään muuttamaan tasasähkömoottorin syöttöjännitettä. Tasasähkömoottorin vääntömomenttia ja pyörimisnopeutta voidaan hallita syöttöjännitteen amplitudilla. Toiminnallisesti tasasähkömoottorin suurin ero vaihtosähkömoottoriin on paikallaan pysyvä magneettikenttä. Tasasähkömoottorin staattorissa synnytetään magneettivuo (päävuo) sähkö- tai kestomagneeteilla ja sähköenergia muutetaan liike-energiaksi kommutaattorin ja hiilien avulla (kuva 10, ks. seur. s.). Kommutaattori vaihtaa akseliin tehdyn sähkömagneettipiirin (ankkurin) napaisuutta, jolloin magneettinen voimavaikutus pysyy yllä ja ankkuri pyörii. Kommutaattori toimii siis mekaanisena tasavaihtosuuntaajana. Kommutaattori on tehty toisistaan eristetyistä kuparikiiloista ja on rakenteeltaan sylinterimäinen. Ankkuri on tehty eristetyistä teräslamellilevyistä. Tällä teräslamellilevyrakenteella estetään pyörrevirtojen synnyttämiä pyörrevirtahäviöitä ankkurissa. Ankkuriin käämitään ankkurikäämitys, jonka vyyhtien päädyt kytketään kommutaattoriin siten, että jokaiseen kommutaattorin liuskaan kytketään yhdenvyyhden alkupää ja toisen loppupää. [6, s. 35 43; 7, s. 38 39.] Tasasähkömoottorin toiminta esitetään kuvasarjassa (kuva 10, ks. seur. s.) yksinkertaistetun tasasähkömoottorin avulla. Yksinkertaistetun tasasähkömoottorin päävuo synnytetään kestomagneeteilla, ja moottorin kommutaattorissa on vain kaksi liuskaa. [8.]
12 Kuva 10. Tasasähkömoottorin toimintaperiaate Tasasähkömoottorin toimintaa kuvaavan kuvasarjan (kuva 10) tapahtumaketju kuvaillaan seuraavassa listassa: a) Tasasähkömoottoriin kytketään tasavirta. Tasavirta synnyttää ankkurikäämeissä magneettikentän. Ankkurikäämitys on kytketty kommutaattoriin siten, että päävuon N-navan puoleiseen ankkurikäämiin muodostuu N-napa. Koska ankkurin magneettikenttä pyrkii kääntymään samansuuntaiseksi staattorin magneettikentän kanssa, alkaa ankkuri pyöriä. b) Ankkuri jatkaa pyörimistä. c) Ankkurin jatka pyörimistään, jolloin tapahtuu kommutointi. d) Kommutoinnin tapahtuessa ankkurin napaisuus vaihtuu, ja se jatkaa pyörimistä. 2.3 Epätahtimoottoreiden ohjausmenetelmät Epätahtimoottorin erilaisilla ohjauksilla pyritään parantamaan sen toimintaa. Tällaisia ovat pyörimisnopeuden ja/tai momentin säätö. Näillä pyritään mm. parantamaan moottorin hyötysuhdetta ja käyttöaluetta. Ohjaus menetelmiä on useita, kuten esimerkiksi tyristoriohjaus tai taajuusmuuttajalla toteutettu ohjaus.
13 Joillakin näistä ohjausmenetelmistä voidaan muuttaa epätahtimoottorin pyörimisnopeutta. Tämän säätämisen mahdollistavat suureet, jotka voidaan päätellä esiteltävästä yhtälöstä 4, joka on muunnos yhtälöstä 3 (ks. s. 6). n = r min n, jossa (4) n pyörimisnopeus [r min] f taajuus [Hz] p napapariluku n jättämä [r min] Epätahtimoottorin nopeutta voidaan siis muuttaa yhtälön 4 mukaisesti muuttamalla joko taajuutta f, napaparilukua p tai jättämää n. Epätahtimoottorin pyörimisnopeutta voidaan muuttaa myös muuttamalla jännitettä, vaikkei se olekaan yhtälössä 4. Jännitteen avulla nopeuden säätämistä voidaan käyttää kuitenkin vain sellaisilla epätahtimoottoreilla, joiden tahtinopeuden ja huippumomenttia vastaava pyörimisnopeuden ero on suuri. Jännitteen avulla nopeuden säätämistä voidaan siis käyttää vain liukurengasmoottoreissa tai oikosulkumoottoreissa, joissa on suuri roottoriresistanssi (ks. s. 10 11). 2.3.1 Suorakäyttö Suorakäytöillä tarkoitetaan oikosulkumoottoreiden käyttöjä, joissa verkkosähkö syötetään moottoreille suoraan ja muuttamattomana kontaktorien avulla. Tällöin moottorin syöttöä ei pystytä säätämään mitenkään, jolloin moottorin pyörimisnopeus riippuu syöttävän verkon taajuudesta, moottorin napapariluvusta ja kuormituksesta. Suorakäytöissä on olemassa erikoisvalmisteisia oikosulkumoottoreita, joita kutsutaan napavaihtomoottoreiksi. Tällaisissa moottoreissa on kaksi tai useampi kolmivaihekäämitys, joissa napaparien lukumäärä on toisistaan poikkeava. Napavaihtomoottoreita käytetään esimerkiksi nostureiden nostomoottoreissa. Tyypillisesti käytetään moottoreita, joissa on kaksi kolmivaihekäämitystä. Tällaisessa
14 napavaihtomoottorissa on esimerkiksi toisessa käämityksessä 1 napapari ja toisessa napapareja on 6. Tällöin taakan nosto voidaan aloittaa hitaalla nopeudella, kun taakka on liikkeessä, vaihdetaan nopealle nopeudelle. Nostomoottorin pyörimisnopeus lasketaan yhtälön 4 (ks. edell. s.) mukaisesti napapareille 1 ja 6 jättämien ollessa 200 r min ja 100 r min: n = r min 200 r min = 2800 r min n = r min 100 r min = 400 r min 2.3.2 Tyristorikäyttö Tyristorikäytöillä muutetaan oikosulkumoottoria syöttävän jännitteen tehollisarvoa. Tämä toteutetaan siten, että tyristorit katkovat vaihejännitteitä tietyllä ajanhetkellä (kuva 11). Tämän ajanhetken määrittää tyristorin liipaisukulma. Kuva 11. Tyristoreilla katkottu siniaalto Moottoria syöttävää jännitetty katkotaan kuvassa 11 tyristorin radiaanin liipaisukulmalla. Katkotun vaihejännitteentehollisarvo saadaan laskettua seuraavaksi esitettävällä neliöllisenkeskiarvon yhtälöllä 5: U = [sin(t)] dt, jossa (5) U jännitteen tehollisarvo [V]
15 u jännitteen huippuarvo [V] T jakson aika [rad] α liipaisukulma [rad] t ajan hetkellisarvo [rad] Esim. Lasketaan kuvan 11 (ks. edell. s.) vaihejännitteentehollisarvo Suomen sähköverkon vaihejännitteen mukaisesta huippujännitteestä (yhtälö 6): u = 2 U, jossa (6) U vaihejännite [V] Jolloin u = 2 230 V = 325 V Tässä tapauksessa molemmat puolijaksot katkotaan samanlaisesti. Tämän vuoksi voidaan jännitteentehollisarvo laskea puolijakson perusteella T seuraavasti yhtälön 5 (ks. edell. sivu) mukaisesti: U = [sin(t)] dt = 206 V Jännitteen säädöllä voidaan pienentää oikosulkumoottorin starttivirtaa, joka pienentää huomattavasti moottorin syöttökaapeleiden poikkipinta-alan vaatimusta. Jännitteen säädöllä voidaan myös parantaa liukurengasmoottorin roottorivastuksilla toteutettua käynnistystä sekä pyörimisnopeuden säätötarkkuutta. Jänniteohjauksella toteutettu pyörimisnopeudenohjaus soveltuu parhaiten pienitehoisille oikosulkumoottoreille, joiden nimellinen jättämä on tyypillisesti suuri. Tällaisia ovat vastusroottorikoneet, joissa roottoriresistanssi on suuri. Tällöin moottorin tahtinopeuden ja huippumomenttia vastaavan pyörimisnopeuden ero on riittävän suuri jännitesäädön järkevälle toteutukselle. Tällaisia moottoreita käytetään esimerkiksi pienehköissä puhallinkäytöissä. [9.]
16 2.3.3 Taajuusmuuttajakäyttö Taajuusmuuttaja mahdollistaa oikosulkumoottorin syötön jännitteen ja taajuuden säädön portaattomasti. Näiden avulla pystytään säätämään moottorin pyörimisnopeus ja momentti halutun suuruisiksi (kuva 12). Kuva 12. Oikosulkumoottorin momenttikäyriä taajuuden funktiona Taajuusohjatuissa oikosulkumoottorikäytöissä käytetään välipiirillisiä taajuusmuuttajia. Tällaiset taajuusmuuttajat koostuvat seuraavaksi esitettävän kuvan 13 mukaisesti neljästä lohkosta. Kuva 13. Taajuusmuuttajan lohkokaavio Näillä kullakin osalla on omanlaisensa tehtävä. Nämä esitetään seuraavassa listassa: 1. Tasasuuntaaja muuntaa verkon vaihtojännitteen tasajännitteeksi. 2. Välipiiri suodattaa tasasuuntaajan syöttämän sykkivän tasajännitteen LC-alipäästösuodattimella tai muuntaa sen tasavirraksi tasoituskuristimella. 3. Vaihtosuuntaaja muuttaa välipiirin tasajännitteen halutun taajuiseksi vaihtojännitteeksi. 4. Ohjausyksikkö huolehtii taajuusmuuttajan tarkoituksen mukaisesta toiminnasta. [10.]
17 Taajuusmuuttajat, joiden välipiiri on toteutettu pelkästään tasoituskuristimilla, kutsutaan tasavirtapiirillisiksi taajuusmuuttajiksi. Nämä toimivat virtalähteinä, joilla syötetään moottorille sellainen virta, että moottorin navoissa on halutun suuruinen jännite. Virran amplitudi säädetään tasasuuntaajassa tai tasavirtapiiriin kytketyllä tasavirtakatkojalla. Taajuusmuuttajia, joiden välipiirissä on LC-alipäästösuodatin, nimitetään tasajännitevälipiirillisiksi taajuusmuuttajiksi. Tämäntyyppisissä taajuusmuuttajissa moottorille syötettävän jännitteen amplitudia muutetaan, joko välipiirin jännitettä muuttamalla tai muuttamalla jännitteen pulssikuviota vaihtosuuntaajassa. Pulssikuvion muuntamista kutsutaan pulssileveysmoduloinniksi (PWM, Pulse Width Modulation). PWM-taajuusmuuttaja on yleisimmin käytetty taajuusmuuttajatyyppi. Tämä johtuu siitä, että se kuluttaa vähän loistehoa, ja sen säätönopeus on nopea suhteessa välipiirin jännitesäädöllä toteutettaviin taajuusmuuttajiin. [10.] Taajuusmuuttajan ohjauksella pystytään vaikuttamaan moottorin pyörimisnopeuden ja momentin asetteluun. Skalaariohjauksessa moottorin pyörimisnopeutta säädetään muuttamalla taajuusmuuttajan lähtötaajuutta. Moottorin jännitettä säädetään taajuudenfunktiona siten, että jännitettä kasvatetaan lineaarisesti moottorin nimellistaajuudella saavutettavaan nimellisjännitteeseen asti. Tämän jälkeen jännite pysyy vakiona. Moottorin pyörimisnopeus on jättämän verran pienempi kuin taajuusmuuttajan syöttämä tahtinopeus. Mikäli kuormitusmomentti on moottorin huippumomenttiin nähden suhteellisen pieni, jättämä voidaan arvioida nimellisen jättämän avulla seuraavissa yhtälöissä 7 ja 8 esitettävillä tavoilla: n = n, kun f f (7) n = n,kun f f, joissa (8) n jättämä [r min] n nimellisjättämä [r min] T kuormituksen momentti [Nm] T nimellismomentti [Nm]
18 f syöttötaajuus [Hz] f nimellistaajuus [Hz] Esim. n = 20 r min = 16,9 r min Skalaarisäätö on kuin skalaariohjaus, johon on lisätty nopeuden takaisinkytkentä. Tämä on toteutettu esimerkiksi takometrillä. Skalaarisäädön tuomat lisäykset moottorin ohjaukseen ovat huomattavat. Näitä ovat esimerkiksi momenttisäätö sekä nopeudenmittaus ja säätö. Momenttisäätöä aseteltaessa on otettava huomioon, että momenttia ei voida kasvattaa kuin enintään moottorin huippumomentin arvoon. Kippausvaaran takia on lisäksi varattava reserviä. Nyrkkisääntönä suurimmalle käytettävälle momentille voidaan pitää yhtälöstä 9 laskettavaa arvoa [10]. T = T, jossa (9) T suurin sallittu vääntömomentti [Nm] T huippumomentti [Nm] Taajuusmuuttajan avulla voidaan oikosulkumoottoria käyttää myös generaattorina. Tällaisia käyttökohteita on esimerkiksi nostureissa, kun taakkaa lasketaan alas, voidaan jarrutusenergia syöttää takaisin verkkoon. Taajuusmuuttajalla voidaan parantaa hyötysuhdetta huomattavasti. Perinteisesti pumppukäytöissä nesteen virtaamisnopeutta on säädetty kuristimilla, jolloin pumpun moottori kuluttaa kokoajan suuren energian. Nykyään tällaisissa käytöissä käytetään taajuusmuuttajia, joiden avulla oikosulkumoottoria pystytään ohjaamaan ja pumpulla säädetään nesteen virtausnopeus. Tämän ansiosta pumpun moottorin energian tarve on pienentynyt huomattavasti
19 3 Sähkömoottoreiden vikaantuminen Sähkömoottorin vikaantumisiin on erilaisia syitä. Oikosulkumoottorin viat jaotellaan laakeri-, staattori- ja roottorivikoihin. Moottoreiden vikaantumiset jakautuvat näiden kesken seuraavan kaavion mukaisesti (kuva 14) [11]: Kuva 14. Vikojen jakautuminen Tämän lisäksi käsitellään myös ohjausjärjestelmien vikoja sekä niiden vaikutusta sähkömoottorin vikaantumisiin. Laakerien mekaanisen kulumisen vuoksi, laakerit ovat pääasiassa ainoana huollon kohteena oikosulkumoottoreissa. (Ks. 3.1 3.4.) 3.1 Laakeriviat Laakerivikojen syntymisille on useita aiheuttajia, kuten lämpö, mekaaniset sekä voiteluun liittyvät ongelmat. Suurin osa sähkömoottoreiden laakeroinneista on toteutettu vierintälaakereilla. Tämän vuoksi tässä keskitytään vierintälaakereiden vikaantumisiin. Vierintälaakerit kuluvat normaalissa käytössä, ja niiden vikaantumiset ovat tyypillisesti hitaasti kehittyviä. Laakereiden äkillisien hajoamisen syynä on yleensä voitelun puute tai asennusvirhe. Vika alkaa yleensä yhdestä pisteestä. Vian kehittyminen on aluksi hidasta, mutta vikaantuminen kiihtyy kunnes laakeri hajoaa. Laakerin vikaantumisen alkusyyksi voi olla useita aiheuttajia kuten liiallinen kuormitus, tärinä tai liian suuri pyörimisnopeus. Näiden lisäksi lika tai liian suuri käyttölämpötila vioittavat laakeria. Suurin laakereiden vikaantumislähde on voiteluun liittyvät ongelmat. Näitä ovat liiallinen tai vähäinen voitelu, sekä sopimaton voiteluaine. Liiallinen voitelu aiheuttaa laakerissa lämpenemistä, kun taas vähäinen voitelu aiheuttaa laakerin lämpenemistä, väsymistä, kulumista ja murtumia. Vakavin voiteluun liittyvä vian aiheuttaja
20 on sopimaton voiteluaine, joka edellä mainittujen vaurioiden lisäksi voi aiheuttaa korroosiota laakerissa. [12.] 3.2 Staattoriviat Staattorin käämityksen vikaantuminen on tyypillisesti nopeasti kiihtyvä tapahtumaketju, joka tulee yleensä ilmi vasta siinä vaiheessa, kun moottori pysähtyy (käämitys palanut). Vikaantumisen alkusyitä voivat olla termiset, sähköiset, mekaaniset tai ympäristösyyt. Sähköiset syyt Sähköisiä vikoja aiheuttaa jännitetransientit, jotka rasittavat moottorin käämityksen eristeitä. Jännitetransienttien aiheuttajia ovat taajuusmuuttujan syöksyaallot, huono maadoitus, kontaktorien kytkentäpiikit ja salamointi. [13, s. 376 377.] Lämpötila Moottorin liialliselle lämpenemiselle on useita syitä, kuten lika, kolmivaiheepäsymmetria ja liiallinen kuormitus. Moottorin lämpeneminen aiheuttaa käämien eristyksen termistä vanhenemista. Moottorin lämpenemän kasvu 10 voi vaikuttaa alentavasti moottorin käyttöikään jopa 50 % [14]. Ylikuumeneminen on siis merkittävä vikaantumisen kiihdyttäjä käämityksen käyttöiän kannalta. Moottorin rungon päälle kertyvä lika heikentää moottorin rungon pinnalla tapahtuvaa konvektiota, jolloin jäähdytys heikkenee. Myös tuuletuksessa oleva häiriö, kuten tuulettimen ilmanoton likaantuminen, vaikuttaa negatiivisesti moottorin rungon pinnalla tapahtuvaan konvektioon jäähdytysilman virtauksen heikentyessä. [15.] Suuri moottorin lämpenemiseen vaikuttava tekijä on kolmivaihe-epäsymmetria. Oikosulkumoottori on hyvin herkkä jännite-epäsymmetrialle. Jos jännite-epäsymmetria du on esimerkiksi 3,5 %, lämpötila voi nousta 25 % siinä vaihekäämissä, jossa virta on suurin [14]. Myös liiallinen kuormitus lämmittää moottoria suunniteltua enemmän, kuten esimerkiksi käyttö väärällä toimintasuhteella.
21 Mekaaniset syyt Staattorikäämeihin kohdistuu kahdentyyppisiä voimia transienttitilojen (esim. käynnistys, kuorman muutos), synnyttämät suuret voimat ja tasaisen käynnin synnyttämät pienemmät voimat. Jos vyyhden pää pääsee liikkuman voimien vaikutuksesta, se aiheuttaa eristyksen kulumista. Paikallinen läpilyönti synnyttää kuumanpisteen, jonka lämpövaikutuksesta vieressä olevat eristykset vaurioituvat ja vika laajenee. [13, s. 373.] Ympäristösyyt Ympäristöolosuhteilla voi olla ratkaiseva merkitys sähkömoottorin kunnon kannalta. Jos sähkömoottorilla on pitkiä seisokkeja, ja ympäristössä on korkea ilmankosteus, voi siihen kerääntyä kosteutta. Sähkömoottoriin kerääntynyt kosteus heikentää staattorikäämityksen eristyskykyä. Myös ympäristön aiheuttama sähkömoottorin likaantuminen ja syövyttävät aineet voivat aiheuttaa staattorikäämityksen eristyksen heikkenemistä. Staattorikäämityksen eristyskyvyn heikkeneminen saattaa aiheuttaa sähkömoottorissa maasulun, kierros-, vyyhti- tai vaiheoikosulun. Käyttämällä sähkömoottoria, jossa staattorikäämityksen eristys on heikentynyt, saattaa jokin näistä olevista tai syntyvistä oikosuluista aiheuttaa staattorikäämityksen tuhoutumisen. [13, s. 372 376.] Yhteenvetona staattorin vikatekijöistä voidaan todeta, että moottorin puhtaudella ja oikeanlaisella käytöllä on suuri merkitys staattorin vikaantumisen ehkäisemisessä. 3.3 Roottoriviat Tyypillinen oikosulkumoottorin roottorivika on roottorisauvan murtuminen. Tämä alkaa usein korkearesistiivisestä pisteestä tai rasituksen aiheuttamasta pienestä halkeamasta roottorisauvassa. Myös alumiinista valetun roottorin valuvirheestä johtuva ilmakupla roottorisauvassa saattaa olla heikko piste, josta vikaantuminen alkaa. Tämä vaurio kohta kuumenee, mikä pahentaa vauriota, kunnes roottorisauva on kokonaan poikki. Katkennut roottorisauva aiheuttaa katkoksen häkkikäämin virtapiiriin, jolloin katkenneen roottorisauvan virta siirtyy tämän viereisille sauvoille, jolloin niiden virta kasvaa. Viereisten sauvojen kasvanut virta kasvattaa niiden lämpötilaa, joka lopulta aiheuttaa
22 myös niiden murtumisen sekä katkeamisen. Roottorisauvojen katkeamisen seurauksena oikosulkumoottorin momentti pienenee. Tämän seurauksena myös jättämä kasvaa, eli kierrosnopeus laskee. Roottorisauvojen katkeamiset havaitaan yleensä vasta siinä vaiheessa, kun oikosulkumoottorin momentti on pienentynyt huomattavasti. Tämä huomataan yleensä siten, että oikosulkumoottorin käynnistysmomentti on niin pieni, ettei moottori käynnisty. [13, s. 383 384.] 3.4 Ohjausjärjestelmien viat Oikosulkumoottorin ohjausjärjestelmässä tapahtuva vika saattaa aiheuttaa moottorille vakavia vaurioita. Esimerkiksi jos moottorin syötöstä putoaa yksivaihe pois, syntyy huomattavan suuri jännite-epäsymmetria moottoriin. Tämä aiheuttaa suuren lämpenemisen moottorissa, ja vakavimmillaan se tuhoaa moottorin käyttökelvottomaksi. Uudemmissa moottorikäytöissä tätä ongelmaa ei ole. Lämpöreleellä suojattu moottorisyöttö katkaisee syötön hyvin nopeasti epäsymmetriasta johtuvan nopean virran kasvun vaikutuksesta. Useissa taajuusmuuttajissa ongelma on poistettu siten, että sekä tulo- ja lähtöjännitteessä on vaihevahdit, jotka valvovat, että vaihejärjestys on oikea, ja että jokainen vaihe on käytössä. 4 Vikojen havainnointimenetelmät 4.1 Aistinvarainen havainnointi Ihmisen aisteilla pysytään havaitsemaan erilaisia moottorin vikaantumisia. Aiemmin moottoreiden kunnonvalvonta perustui pääasiassa aistinvaraisiin havainnointimenetelmiin. Näitä menetelmiä on esimerkiksi laakereiden kuunteleminen puukepin avulla, tunnustelemalla kädellä koneen lämpöä ja värähtelyä. Aistinvaraisen havainnoinnin laatu perustuu havainnointia tekevän ihmisen kokemukseen, koska ihminen vertaa havaitsemiaan asioita omiin aikaisempiin havaintoihin. Nykyään aistienvaraisia havaintoja voidaan käyttää mittalaitteiden tukena. Kuulon perusteella pystytään havaitsemaan esimerkiksi koneen epätasainen käynti, tai jo pahasti vaurioituneiden laakereiden synnyttämä normaalista poikkeava ääni. Hajuaistin
23 perusteella voidaan havaita kipinöintiä (otsonin haju) tai ylikuumenevien eristeiden kitkerä haju. Moottorin tuuletuksen toimivuutta voidaan arvioida esimerkiksi tuntoaistia apuna käyttäen. Tämä voidaan toteuttaa koittamalla kostutetulla kämmenselällä ilmanvirtausta, tai näköaistia hyödyntäen käyttämällä paperia tai lankaa ilmavirtauksen indikaattorina. Voidaan siis todeta, että vaikka mittalaitteet ovat tuoneet paljon edistystä kunnonvalvontaan, aistinvaraista havainnointia ei pidä aliarvioida kunnonvalvonnassa. [13, s. 417 427] 4.2 Resistanssimittaus Resistanssimittauksesta saaduilla mittausarvoilla voidaan arvioida moottorin käämien ja niiden kytkentöjen kuntoa. Resistanssien aikaisemmilla mittauksilla tai mittaus lämpötilalla ei ole merkitystä, sillä käämien resistansseja verrataan keskenään. Ihanteellisessa tilanteessa kaikkien vaihekäämien resistanssit olisivat täysin identtiset. Käytännössä vaihekäämien resistansseissa esiintyy pientä hajontaa. Jos jonkin vaihekäämin resistanssi on huomattavasti suurempi suhteessa muihin, kyseisessä käämityksessä on katkos, tai huono liitos. Vastaavasti jos yhdessä vaiheessa resistanssi on pienempi, kyseisessä käämityksessä on luultavasti kierrosoikosulku tai vyyhtioikosulku. Resistanssimittauksessa tulisi käyttää nelijohdinresistanssimittalaitetta, jotta saataisiin tarkempi mittaustulos. Käämien resistanssit mitataan standardin PSK 7705:n mukaisesti resistanssimittarilla tähtikytkentäisestä moottorista jokainen käämi erikseen, jolloin resistanssi mitattaan tähtipisteen ja vaihekäämin syöttöpään väliltä (kuva 15). [16.] Kuva 15. Y-kytkentä Jos tähtipiste ei ole kytkentäkotelossa tai mitattaessa kolmiokytkentäistä moottoria, resistanssi mitataan kahden vaiheen väliltä (kuva 16, ks. seur. s.).
24 Kuva 16. Tähtipiste ei kotelossa tai D-kytkentä Mitattujen resistanssien hajonta keskiarvosta saa olla maksimissaan ± 3 % [17]. Tämä suurin sallitun hajonta keskiarvosta lasketaan seuraavalla yhtälöllä 10: R = ± 0,03, jossa (10) R suurin sallittu hajonta keskiarvosta [Ω] R mittauksen 1 resistanssi [Ω] R mittauksen 2 resistanssi [Ω] R mittauksen 3 resistanssi [Ω] Esim. R = ±, Ω, Ω, Ω 0,03 = ± 10,437 Ω 0,03 = ± 0,313 Ω 4.3 Eristysvastusmittaus Eristysresistanssimittauksessa mitataan moottorin sähköisten komponenttien eristyvyys moottorin rungosta. Mittaus suoritetaan eristysvastusmittarilla, joka synnyttää mittausjännitteen käämitykseen tyypillisesti 500 10 000 V:n tasajännite. Mittausjännite riippuu käämityksen nimellisjännitteestä. Kun käämiin kytketään jännite, sen eriste alkaa varautua ja eristyksen läpi alkaa kulkea vuotovirta. Vuotovirran suuruus määräytyy eristeen ominaisuuksien perusteella. Eristyksen varautumisen tasaantuessa jäljelle jää vain vuotovirtakomponentti. Eristysvastus määritellään Ohmin lain mukaisesti käämityksen virran ja jännitteen avulla (yhtälö 11). [18.] R =, jossa (11) R eristysvastus [MΩ]
25 U mittausjännite [V] I vuotovirta [μa] Esim. R = = 5 MΩ Varautumisen aiheuttaman eristysvastuksen muutoksen johdosta eristysvastusta mitattaessa pitää määritellä aika mittauksen aloittamisesta, jolloin mittaustulos kirjataan. Mitattaessa moottorin käämien eristysvastusta, pitää moottorin syöttökaapelit irrottaa moottorista, jotta jännite syöttö ei vaikuttaisi mittaustulokseen. Mittauksen suoritustapa esitetään kuvassa 17. Kuva 17. Staattorin käämien kytkennät eristysresistanssin mittausta varten Mittausjännite määritellään käämityksen nimellisjännitteen mukaan. Ohjeellisesti voidaan käyttää IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) standardissa IEEE P43-2000 määriteltyjä mittausjännitteitä (taulukko 1). Mittausjännitteen suuruuden asettelemisessa täytyy olla tarkka, sillä liian suuri mittausjännite saattaa vioittaa käämien eristeitä. Taulukko 1. Eristysvastusmittausjännitteet Käämin nimellisjännite/v Mittausjännite/V < 1 000 500 1 000 2 500 500 1 000 2 501 5 000 1 000 2 500 5 001 12 000 2 500 5 000 > 12 000 5 000 10 000
26 Eristysvastuksen mittausaika on standardin IEEE 43 42000:n asettama 60 s, jolloin eristysvastusmittauslukema kirjataan. Mittauksen jälkeen käämitykseen varautunut energia on purettava. Tämä tapahtuu joko mittarin sisäisellä toiminnalla tai maadoittamalla käämitys koneen runkoon. Tarkisteltaessa mitattua eristysvastusarvoa on huomioitava, että eristysvastus on käänteisesti eksponentiaalinen lämpötilan suhteen. Tästä johtuen mitattaessa eristysresistanssia on myös mitattava käämityksen lämpötila. Eristysvastusraja-arvot ovat ilmoitettu lämpötilassa 40, jolloin mitatut eristysvastusarvot täytyy redusoida tähän lämpötilaan. Eristysvastuksen redusointikertoimen määritys esitetään kuvassa 18: 10 1 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0,1 Kuva 18. Lämpötilan vaikutus eristysresistanssiin Kuvassa 18 esitetään standardin IEEE 43:n mukaisesti eristysvastuksen korjauskerroin käämin lämpötilan funktiona. Kuvaajasta saatavalla käämin eristysresistanssin korjauskertoimella saadaan laskettua 40 :ta vastaava eristysvastusarvo (yhtälö 12): R ( ) = R ( ) K, jossa (12) R ( ) eristysvastus 40 :ssa [MΩ] R ( ) mitattu eristysvastus [MΩ] K redusointikerroin Esim. R ( ) = 5 MΩ 0,34 = 1,7 MΩ
27 Näin ollen 50 asteen eristysvastusarvo täytyy olla vähintään kaksinkertainen sallittuun 40 asteen minimi eristysarvoon, eli käämityksen lämpötilan nousu 10 asteella kaksinkertaistaa eristysvastuksen. Käämityksen turvalliseksi eristysvastusarvoksi lämpötilassa 40, suositellaan standardin IEEE 43:n mukaan yhtälöstä 13 laskettavaa arvoa. Eristysvastuksen minimiarvo määräytyy siten, että vuotovirta ei saa ylittää 1 ma:a. R > 1 MΩ + U kv 1 MΩ, jossa (13) U moottorin nimellisjännite [kv] Esim. R > 1 MΩ + 0,4 kv kv 1 MΩ R > 1,4 MΩ 4.4 Polarisaatioindeksi Polarisaatioindeksiä käytetään tutkittaessa moottorin eristyksen likaisuutta ja kosteutta silloin, kun eristysvastusmittaus on ollut alhainen. Polarisaatioindeksi perustuu käämin varautumisen aiheuttamaan muutokseen eristysvastusarvossa (kuva 19). Kuva 19. Polarisaatioindeksin määritys
28 Vanhanaikaisten eristeiden varautuminen voi kestää useita tunteja, mutta tyypillisesti kohtuullisen vakaa eristysvastusarvo saadaan 10 15 minuutin kuluessa. Modernit kalvopäällysteiset lanka- sekä epoksihartsi- tai polyesterieristetyt staattorikäämit voivat saavuttaa tasaantuneen eristysvastusarvon alle 4 minuutissa. Jos käämitys on märkä tai likainen, alhainen tasaantunut eristysmittausarvo saavutetaan jopa minuutissa. [18.] Polarisaatioindeksi on kahtena eri ajanhetkenä otettujen eristysvastusarvojen suhde (yhtälö 14). Tämä laskenta on määritelty standardissa IEEE 43 2000. PI = ( ) ( ), jossa (14) PI polarisaatioindeksi R ( ) eristysvastus ajanhetkellä 600 s [Ω] R ( ) eristysvastus ajanhetkellä 60 s [Ω] Esim. PI = Ω, Ω = 1,9 Jos polarisaatioindeksi on alhainen, vuotovirran suhde eristeen varautumisen virtaan on suuri, jolloin eriste on likainen tai kostea. Taulukossa 2 esitetään standardin IEC 60085-01: 1984 suositellut polarisaatioindeksin minimiarvot. Taulukko 2. Polarisaatioindeksin minimiarvot Käämin eristeluokka Minimi PI A 1,5 B 2,0 F 2,0 H 2,0 Huomioitavaa on, että jos eristysvastus on yli 5 000 MΩ @ 40, polarisaatioindeksin mittaustuloksella ei ole merkitystä.
29 4.5 Syöksyaaltomittaus Syöksyaaltomittausta käytetään moottorin käämityksen kunnon analysoimiseen. Syöksyaaltomittauksessa syötetään samanaikaisesti kahdelle moottorikäämille korkeataajuinen jännitepulssi, joita tarkastellaan oskilloskooppikuvasta. Kahden tarkasteltavan käämin aaltomuodot pitäisi olla identtiset (päällekkäin) käämien eristyksien ollessa ehjät. Kuva 20. Mittauskytkentä Mittaus tehdään kuvan 20 mukaisesti. Mittalaite testaa jokaisen vaihekäämin toisten vaihekäämien kanssa. Syöksyaaltotestauksen maksimijänniteamplitudin määrittelyyn sovelletaan standardissa PSK 7706 esitettyjä ohjeellisia arvoja, jotka esitetään taulukossa 3: Taulukko 3. Ohjeelliset syöksyaallon maksimi jännite amplitudit Käämin nimellisjännite/v Syöksyaallon maksimi amplitudi/v Uusi tai vastaava käämitys < 1 000 < 2 500 1 000 15 000 < 1,9 U + 1 kv Pidempään käytössä ollut käämitys, tyypillisesti 3 10 vuotta < 1 000 < 2 000 1 000 15 000 < 1,7 U + 1 kv 10 vuotta vanhemmille käämityksille sopiva koestusjännite harkittava erikseen
30 Ennen syöksyaaltotestausta on suoritettava eristysvastusmittaus (ks. s. 24 27). Tällä menettelyllä varmistetaan, ettei koneen ja käämityksen välillä ole eristysvikaa, ja ettei kone ole kostea tai liian likainen. Syöksyaaltotestissä jännite nostetaan tasaisesti koestusjännitteeseen, jossa se pidetään 3 10 sekuntia. Tämän jälkeen jännite lasketaan tasaisesti nollaan ennen jännitteen pois kytkemistä. [16.] Käämissä oleva eristysvika muuttaa käämipiirin värähtelyvastetta, jolloin se eroaa verrattavana olevan vaihekäämin värähtelyvasteesta. Erilaiset viat käämityksessä aiheuttavat erilaisen muutoksen värähtelyvasteessa. Käämityksessä oleva vika voidaan tunnistaa kuvassa 21 esiteltävien aaltokuvioiden perusteella. Kuva 21. Tyypillisten käämivikojen käyrämuodot
31 Syöksyaaltotestaus on huomattavasti helpompi toteuttaa puretuilla moottoreilla, joissa roottori on irrotettu moottorista. Staattoriin syötettävä korkeataajuinen jännitepulssi yhdistyy hyvin voimakkaasti roottoriin, joka aiheuttaa oskilloskoopin näyttämä aaltokuvion nopean vaimenemisen. Tilanne esitetään kuvassa 22: Kuva 22. Roottorin aiheuttama vaimeneminen Mittausta hankaloittava tekijä on myös roottorin asennon vaikutus roottorin häkkikäämin ja staattorikäämityksen tasapainoon. Jos staattori ja roottori eivät ole tasapainossa toisiinsa nähden (kuva 23), mitatut aaltokuviot eivät ole täysin päällekkäin. Tilanne voidaan korjata kääntämällä roottoria, kunnes oskilloskooppiin tulee tasapainoinen aaltokuvio seuraavasti: Kuva 23. Roottorin asennon vaikutus tasapainoon Syöksyaaltotestausta tehdessä liukurengasmoottorille on staattoria mitattaessa poistettava harjat ja oikosuljettava liukurenkaat. Vastaavasti roottorikäämejä mitattaessa on oikosuljettava staattorikäämit. 4.6 Värähtelymittaukset Värähtelyn avulla tunnistetaan sekä mekaanisia että sähköisiä vikoja. Yksinkertaisimmillaan vika voidaan määritellä värähtelyn kokonaisamplitudin tai sen periodisen muutoksen avulla. Tällä menetelmällä havaittavia vikoja on esimerkiksi pitkälle edennyt laakerivaurio tai sähkömoottorin löystynyt kiinnitys. Tällä menetelmällä ei kuitenkaan voida havaita alkavia vikoja.
32 Värähtelymittauksessa saatavalle mittausdatalle voidaan tehdä analyysi. Tämän värähtelyanalyysin avulla pystytään havaitsemaan esimerkiksi roottorivaurioita, mutta tarkimmin ja luotettavammin värähdysanalyysi soveltuu laakereiden kunnonvalvontaan. Vaurioiden aiheuttamat mekaaniset pulssit kasvattavat vialle tyypillisiä värähtelyn taajuuskomponentteja. Värähtelyn tarkemman analyysin toteuttamiseksi on mittaussignaali muutettava aikatasosta taajuustasoon, koska aikatasossa ei pystytä erittelemään kaikkia erilaisia taajuuskomponentteja. Muutos aikatasosta taajuustasoon tehdään FFTmuunnoksella (Fast Fourier Transformation). [19; 20.] Värähtely mitataan värähtelyanturilla, jonka signaali tallennetaan tiedonkeruulaitteeseen (kuva 24). Mittausaika määräytyy taajuusalueen ja spektriviivojen lukumäärän sekä valitun tarkkuuden mukaisesti. Tämä mittausaika saattaa olla jopa kymmeniä sekunteja. Tämä voi muodostua ongelmaksi mitattaessa jaksottaisessa käytössä olevia moottoreita. Kuva 24. Kannettava tiedonkeruulaite Mittaustiedot analysoidaan joko tiedonkeruulaitteella tai tietokoneella. Mittauspisteiden paikka, mittaussuunta ja määrä suunnitellaan moottorikohtaisesti. Nämä mittaukset pyritään yhdenmukaistamaan siten, että samantyyppisten moottoreiden mittauspisteet ovat helposti tunnistettavissa. Värähtelymittausantureita on monenlaisia. Näitä ovat esimerkiksi siirtymäanturit, nopeusanturit, kiihtyvyysanturit ja laseranturit. Näistä yleisimmin kunnonvalvonnassa käytetty anturityyppi on kiihtyvyysanturit. Niiden vahvuuksia muihin värähtelyantureihin verrattuna on pienikokoisuus sekä se, että niissä ei ole liikkuvia osia. Kiihtyvyysanturit kattavat myös laajan taajuusalueen, ja ne ovat epäherkkiä ympäristöolosuhteille.
33 Koneen erilaiset viat värähtelevät tiettyihin suuntiin voimakkaammin. Tästä syystä suositeltavaa kunnonvalvonnan kannalta olisi, että koneiden värähtelymittaus tehtäisiin kunkin laakerin kohdalta kolmeen kohtisuoraan suuntaan (pystyyn, vaakaan ja akselin suuntaan). Normaalisti sähkömoottorista tulee siten suoritettavaksi kolme mittausta kummankin laakerin kohdalta eli yhteensä kuusi mittausta. Aina tämä ei ole kuitenkaan mahdollista tilan ahtaudesta ja/tai työturvallisuudesta johtuen. [21.] Mittauspisteet tulee valita huolella siten, että mittausanturi on mahdollisimman lähellä värähtelylähdettä. On myös huomioitava, että anturin ja värähtelylähteen väliin jää mahdollisimman vähän rajapintoja, koska ne vaimentavat värähtelyä. kuvassa 25 esitetään värähtelymittauspisteitä. [22.] Kuva 25. Anturin kiinnitykset Vaurioiden värähtelyt näkyvät erilaisilla vikataajuuksilla. Vierintälaakerin komponenttien teoreettiset vikataajuudet voidaan laskea seuraavien standardissa PSK 5707 esitettävien yhtälöiden (yhtälöt 15 18) avulla. Huomioitavaa on, että yhtälöt pätevät vain, jos ulkokehä pysyy paikoillaan, ja sisäkehä pyörii. ulkokehän vikataajuus: f = 1 cos β n (15) sisäkehän vikataajuus: f = 1 + cos β n (16)